1、最小的粒子和最大的宇宙密切相關(guān)

2、標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整

3、宇宙學(xué)研究提出了問題

4、理論模型的檢驗需要非加速器物理的實驗手段

5、多個重要問題的研究與地下實驗相關(guān)

6、研究中微子特性是否能解開多個“謎”

7、世界各國已經(jīng)有多個地下實驗室在工作

8、長基線中微子振蕩實驗

9、用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子測量重要參數(shù)θ₁₃

10、地下實驗室可以開展的其他重要研究

11、中國需要盡快部署國家地下實驗室的建設(shè)

1、最小與最大的關(guān)聯(lián)

在20世紀(jì)，基礎(chǔ)科學(xué)各方面都取得了非凡的進(jìn)展，在物理科學(xué)中，研究的范圍從小至10^-17厘米物質(zhì)構(gòu)成的基本單元，大至宇宙的尺寸。在這之間發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)包括了原子理論、固體理論、現(xiàn)代的化學(xué)分子理論等，不少理論發(fā)展為技術(shù)，有的與我們的物質(zhì)生活緊密聯(lián)系，比如納米技術(shù)、基因的確定、超導(dǎo)的應(yīng)用，量子計算機(jī)的發(fā)展等等?；A(chǔ)物理的研究并不因這些成果而停止，它向更深的層次發(fā)展。今天，有越來越多的證據(jù)表明物理世界的兩個極端，最小的粒子和最大的宇宙是密切相關(guān)的，我們正在追尋使它們緊密聯(lián)系起來的理論，這個完整的理論主宰著最小和最大的世界的運(yùn)轉(zhuǎn)。 

2、標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整

對基本粒子物理而言，有關(guān)夸克和輕子的電弱和強(qiáng)相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大的成功，它可以非常精確地描述加速器能量至幾百GeV,或者說小至10^-17厘米的物理現(xiàn)象。但作為基本理論的框架，它是不完整的，它有不完整19個參數(shù)需要各種各樣的實驗作測量，還有許多基本的問題不能回答，這包括：為什么費(fèi)米子的質(zhì)量延伸11個數(shù)量級？CP破壞的起因是什么，怎么去理解夸克輕子族的結(jié)構(gòu)？可以對標(biāo)準(zhǔn)模型作改進(jìn)，如超對稱性理論和大統(tǒng)一理論，但它們并沒有被證實，它們的預(yù)言需要由實驗來檢驗，有些檢驗是不能由加速器實驗來進(jìn)行的，比如說大統(tǒng)一理論的能量尺度比現(xiàn)在加速器所能達(dá)到的最高能量大幾萬億倍。在更深的層次上，還存在物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱和電荷量子化的基本問題。 

今天，實驗上有很強(qiáng)的證據(jù)證明標(biāo)準(zhǔn)模型之外有新的理論,當(dāng)我們突破傳統(tǒng)的強(qiáng)子和帶電輕子的高能物理界限的時候，發(fā)現(xiàn)在小于1個電子伏的低能端，中微子振蕩在向標(biāo)準(zhǔn)模型挑戰(zhàn)，另一方面，在宇宙尺度上，雖然我們不知道大爆炸遺跡中產(chǎn)生了什么，但極高能端的問題由于宇宙暗物質(zhì)和暗能量的存在而慢慢浮現(xiàn)了出來。 

3、宇宙學(xué)研究提出了問題

在宇宙學(xué)方面，大爆炸理論表明宇宙從高溫、高密度的狀態(tài)膨脹，而后冷卻的演化過程，隨著天文學(xué)觀測精度的提高，提供了支持大爆炸理論的證據(jù)，建立了如下幾條基本事實：

（1）由于宇宙膨脹的原因，從遠(yuǎn)處星系發(fā)出的光產(chǎn)生了紅移，因此星系之間正在彼此遠(yuǎn)離。

（2）存在由于高壓和高溫形成的宇宙背景輻射，今天的宇宙當(dāng)中每立方厘米中約有411個熱光子，它們的能量分布遵從平均溫度為2.7^oK的黑體輻射規(guī)律。

（3）今天宇宙中存在大量的氘和氦可以追溯到早期的高溫宇宙。

（4）離得越遠(yuǎn)的星系就越年輕并且越稀少，說明它們處于宇宙演化的較早狀態(tài)。

（5）宇宙物質(zhì)的多少決定了時空的彎曲度，這與廣義相對論是相符的。

美國2003年發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）提供的最新數(shù)據(jù)確定了一些天體物理的基本參數(shù)，并且預(yù)言了宇宙的最終命運(yùn)：宇宙的形成年齡為137億年，誤差為1%。大爆炸兩億年后開始有星球形成，而且宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去，測量背景輻射溫度極性提供了新的宇宙膨脹的證據(jù)，WMAP給出最新的宇宙質(zhì)量能量組成比是：普通物質(zhì)占4%，暗物質(zhì)占23%，暗能量占73%。 

4、理論模型的檢驗需要非加速器物理的實驗手段

在粒子物理研究的早期，從宇宙線研究中得到的豐碩的成果，比如正電子、μ子、π等的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)奠定了粒子物理發(fā)展的基礎(chǔ)。從加速器用于粒子物理研究開始，粒子物理對天體物理和宇宙學(xué)的研究一直是處于幫助的地位。但今天經(jīng)過了一個輪回，天體物理和宇宙學(xué)開始有了回饋。首先，標(biāo)準(zhǔn)模型只關(guān)心僅占4%的宇宙質(zhì)量能量問題是不能令人滿意的，標(biāo)準(zhǔn)模型必須要朝著包含進(jìn)新物理的方向發(fā)展，其次，膨脹自大爆炸后的10^-35-10^-33秒就開始了，這時的能量（溫度）范圍為10¹²GeV（10^25oK）-10¹⁴GeV（10^27oK），在這個能量范圍還缺少一個可以被證實的理論模型，因此現(xiàn)在比以往任何時候都更迫切地需要建立一個超出標(biāo)準(zhǔn)模型適用更高能量的基本粒子理論。在這樣高能量下，理論模型的檢驗是不能完全依靠加速器物理實驗的，它需要非加速器物理實驗手段的幫助。與加速器相比，盡管宇宙線不是一個很好的做詳細(xì)研究的工具，但它卻提供了多方面的工具，與加速器物理起到了互補(bǔ)的作用。

（1）可以產(chǎn)生并且加速多種粒子：γ射線、中微子、帶電輕子、質(zhì)子、氦和重核，還可能有奇異事例。

（2）能譜很寬，從低能熱輻射至10²⁰eV的稀有事例。

（3）不同距離的研究，從地球尺度，河內(nèi)到河外距離。

（4）極端狀態(tài)的研究，從高溫高密的中子星到黑洞。

（5）最有意義的物理在于宇宙線中包含了我們從未想到的東西，原因在于宇宙線中蘊(yùn)含有基本規(guī)律所付與的信息，這些信息需要物理學(xué)家去解讀。 

5、多個重要問題的研究與地下實驗相關(guān)

由于粒子物理和宇宙學(xué)的共生關(guān)系，為了它們的共同發(fā)展，美國的宇宙物理委員會（Committee on the Physics the Universe，CPU）列出了這兩個領(lǐng)域的十一個問題，并在報告中建議建立國家地下實驗室作為手段對其中的一些問題進(jìn)行研究，這其中至少有五個問題是與地下實驗有關(guān)聯(lián)：（1）暗物質(zhì)是什么？（2）暗能量是什么？（3）中微子的質(zhì)量是多少？它在宇宙演化中的作用是什么？（4）高能宇宙線的起源和加速機(jī)制？（5）質(zhì)子是穩(wěn)定的嗎？ 

6、研究中微子特性是否能解開多個“謎”

在這些問題中，發(fā)展最快的是中微子物理。中微子質(zhì)量雖然小，與物質(zhì)只有弱相互作用，但它卻從宇宙形成之初就開始起很大作用，它和其它粒子共同產(chǎn)生于早期宇宙高溫、高壓的等離子體熱平衡態(tài)中，中微子和微波背景輻射的光子數(shù)目相當(dāng)，比質(zhì)子多十億倍，中微子質(zhì)量即使只有幾個eV/c²，那么它可以成為暗物質(zhì)的相當(dāng)一部分，目前中微子質(zhì)量測量的上限說明中微子不可能是暗物質(zhì)的全部。中微子的性質(zhì)還說明它對早期宇宙中元素的形成起了重要作用，它參與質(zhì)子與中子的相互轉(zhuǎn)變，中微子的特性影響了中子的產(chǎn)生、俘獲和衰變等性質(zhì)，進(jìn)而影響到元素氫、氦、鋰核的產(chǎn)生豐度，這些輕元素豐度的計算值已被現(xiàn)在的測量所證實。目前，我們還不知道中微子當(dāng)中有沒有CP破壞，如果中微子存在CP破壞，它將可能解決宇宙中的物質(zhì)——反物質(zhì)不對稱性這個重要問題。

物質(zhì)質(zhì)量的多少是宇宙學(xué)的基本參數(shù)，暗物質(zhì)的存在已經(jīng)通過星系的引力效應(yīng)得到證實，最新的證據(jù)來自光穿過星系時產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)，逐漸累積的證據(jù)表明了大量暗物質(zhì)的存在，它幾乎是通常物質(zhì)的十倍。但暗物質(zhì)是由什么組成的仍然是個謎，中微子可以是一個候選者，但它不構(gòu)成暗物質(zhì)的全部，第二個可能的候選者是超對稱性的Neutralino，另外一個是軸子，后兩者都可以通過實驗室的手段進(jìn)行尋找。

雖然我們還不知道暗能量是什么，但它一定存在，因為宇宙在加速膨脹。它有可能是和暗物質(zhì)聯(lián)系在一起的，除了可以借助于天文工具，通過測量紅移隨距離的關(guān)系來推斷暗能量和暗物質(zhì)的多少和性質(zhì)外，實驗室作為互相補(bǔ)充的手段亦是不可缺少的，小至尋找亞毫米尺度偏離平方反比的實驗，大至等效原理的檢驗，在任何尺度偏離牛頓引力定律的發(fā)現(xiàn)都將對物理世界產(chǎn)生革命。（下圖為科學(xué)家繪制的暗能量正在驅(qū)動著宇宙不斷地膨脹）

到目前為止，大部分有關(guān)宇宙線加速的信息來自于γ光子的測量，但更多的信息將可能來自于原初加速的粒子，或由這些粒子產(chǎn)生的次級光子和中微子所攜帶的信息。最為不理解的是能量大于3′10²⁰eV的高能宇宙線，由于存在與背景輻射光子的作用，這些高能的宇宙線粒子只能來自離我們較近的源，可能來自于近處的AGN,γ爆，拓?fù)淙毕菟プ兓虼蟊óa(chǎn)生的大質(zhì)量遺跡。

宇宙學(xué)中另一個重大的問題是：為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多得多？大爆炸剛開始時物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多的，就像正電荷和負(fù)電荷同樣多一樣，但隨后在非常高能端產(chǎn)生的非常微小的物質(zhì)不對稱性的相互作用可能導(dǎo)致了物質(zhì)的不對稱性，這個相互作用在今天也應(yīng)該允許質(zhì)子發(fā)生衰變，它可以在低能量下以很慢的速率發(fā)生，那么究竟有沒有質(zhì)子衰變呢？現(xiàn)在世界上正在建議建設(shè)百萬噸的水契侖柯夫探測器進(jìn)行測量。

7、世界各國已經(jīng)有多個地下實驗室在工作

中微子振蕩實驗顯著的傾向是向地下實驗的方向發(fā)展，世界各國已經(jīng)有多個地下實驗室在工作，美國、西班牙、印度幾個開展科學(xué)和技術(shù)研究的新的實驗室也正在醞釀和建設(shè)中。美國很多大學(xué)物理系已經(jīng)加強(qiáng)了天體物理和宇宙學(xué)研究的力量。開展地下實驗主要有三方面的原因：

（1）由于對宇宙線起到了很強(qiáng)的過濾作用，因而它具有低本底的特性，適宜于弱信號的觀測，具有發(fā)現(xiàn)新物理的潛力。

（2）由于對低能宇宙線的屏蔽，因而能夠?qū)Ω吣苡钪婢€進(jìn)行更好的測量，進(jìn)行高于加速器能量的物理研究，與加速器研究起互補(bǔ)的作用。

（3）一個地下實驗室對其它科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域也具有巨大的實用價值，除粒子物理和宇宙學(xué)天體物理外，包括核物理、材料技術(shù)、微生物和地球科學(xué)。  

國外從上個世紀(jì)六十年代起陸續(xù)開始建立地下實驗室: 美國的Homestake（左）, 意大利的Gran Sasso（中）, 日本神岡Kamiokande（右），美國的Soudan，加拿大的SNO …, 如今大多都獲得重大成果。它們一般都涉及多個研究方向，在運(yùn)行幾十年的過程中不斷更新，逐漸發(fā)展成為非加速器物理實驗研究的大平臺。地下實驗室作為研究新現(xiàn)象工具的價值已被事實所證明。建立于1965年美國Homestake礦由戴維斯開始的太陽中微子實驗，由于發(fā)現(xiàn)太陽中微子的丟失而開始了今天世界范圍的中微子振蕩實驗。由小柴昌俊開始的日本神岡大氣和太陽中微子實驗取得了一系列的成果。

8、長基線中微子振蕩實驗 

很長一段時間，中微子都被認(rèn)為是像光子一樣沒有質(zhì)量的，與其它物質(zhì)的相互作用非常弱。五、六十年代，Pontecorvo & Maki等人提出了中微子振蕩的概念，即當(dāng)中微子穿過一段距離時，有可能由一種中微子轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N中微子。目前為止總共發(fā)現(xiàn)了三種中微子：n_e（電子中微子）、n_m（μ中微子）、n_t（t中微子），還沒有排除n_s。

中微子可能有振蕩的最早線索來自于太陽中微子的研究（位于美國South Dakota 的Homestake礦井），測到的電子中微子大概是預(yù)期值的三分之一。后來IMB和神岡實驗測量μ中微子與電子中微子的比值（粗略地說，這個比值為2）比預(yù)期值低40%，比值的計算精度為5%。最新的結(jié)果來自于日本的超級神岡實驗，觀測到μ和電子中微子的比值隨這些中微子自產(chǎn)生點走過的距離而變化，原因可以解釋為μ中微子流強(qiáng)從產(chǎn)生點隨不同的天頂角而產(chǎn)生了調(diào)制，探測器自下而上觀測到的中微子由于穿過了地球，這些中微子的數(shù)目比來自于探測器上方大氣頂端的中微子約少了一半。這個觀測值非常依賴于中微子穿行的距離，清楚地說明了中微子存在振蕩。因為實驗結(jié)果中電子中微子的流強(qiáng)不隨角度變化，說明振蕩的末態(tài)是另外一種中微子，比如說t中微子。來自加拿大SNO實驗有關(guān)太陽中微子的測量進(jìn)一步給出了存在電子中微子振蕩的證據(jù)（右圖為SNO的探測器），這個實驗對不同種類的中微子有一定的靈敏度，利用超級神岡比較高的統(tǒng)計數(shù)字，相比較后給出太陽上產(chǎn)生的電子中微子在到達(dá)地球時包含了其它中微子的結(jié)論，因此說明了中微子有質(zhì)量，有振蕩。

KAMLAND測量周圍20多個核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子事例，觀測到的事例只有預(yù)期值的60%，用人工中微子源的方式也證實了中微子的消失，且其特征與太陽中微子消失相同，確認(rèn)太陽中微子發(fā)生了振蕩。

目前得到的中微子存在質(zhì)量的證據(jù)還不足夠強(qiáng)，或者說參數(shù)測量還不精確，因此進(jìn)一步的實驗是必需的。建造地下實驗室，通過測量由實驗室產(chǎn)生的中微子束流，或者測量從地球上不同角度來的中微子流強(qiáng)是否存在丟失，或者直接測量到中微子發(fā)生振蕩的末態(tài)都可以達(dá)到這個目的，通過中微子束流的方法作測量經(jīng)歷了反應(yīng)堆、短距離、中距離到長距離的過程，這些測量仍然還在繼續(xù)，原因是至少存在三代中微子的條件下，它的混合矩陣中參數(shù)比較多，由于實驗統(tǒng)計性、中微子能量、實驗距離、探測器優(yōu)化等問題的限制，很難設(shè)計或者進(jìn)行一個實驗而能夠同時對多個未知參數(shù)作測量。

中微子振蕩的測量是一個很復(fù)雜的物理，它不可能通過一兩個實驗給出全部參數(shù)的測量，而且通過現(xiàn)有的實驗作改進(jìn)也不可能將測量的精度提高多少，留待更精確測量的工作還很多，需要建設(shè)強(qiáng)流的中微子源，如中微子工廠，或叫μ子貯存環(huán)。著眼于未來中微子工廠的μ子能量為20GeV—50GeV，每年產(chǎn)生大于10¹⁹的μ衰變，預(yù)期需要超過2000公里的振蕩基線，一到兩萬噸的探測器體積將可以給出好的物理結(jié)果。在未建成中微子工廠前通過增加質(zhì)子加速器流強(qiáng)來增加中微子流強(qiáng)的辦法進(jìn)行長基線中微子振蕩實驗。如正在運(yùn)行的K2K實驗，在未來幾年內(nèi)將要運(yùn)行的MINOS實驗、ICANOE、OPERA、JHFnu實驗。

由于中微子工廠預(yù)期的流強(qiáng)比現(xiàn)有的普通加速器產(chǎn)生的中微子流強(qiáng)大100倍，因此長距離測量中微子振蕩可成為比較現(xiàn)實的事情。從現(xiàn)有的技術(shù)儲備及基礎(chǔ)看，正在對中微子工廠做研究的有美國、歐洲（CERN）、日本三家（左圖為CERN的中微子工廠示意圖）。CERN由于LHC的建設(shè)，在相對短的一段時期內(nèi)，對中微子工廠的研究投入的人力、物力較小。從美國高能物理的規(guī)劃看，它將直線對撞機(jī)列在第一位進(jìn)行考慮，以期重新奪回高能物理研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。因直線對撞機(jī)耗資巨大，中微子工廠相對來說需要的投資較小，因此日本對中微子工廠的努力已經(jīng)逐漸有了顯示度，基于FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)原理進(jìn)行μ子貯存環(huán)的研究可以減小對強(qiáng)場梯度的要求，因而可以大大節(jié)約貯存環(huán)的成本，正在建設(shè)的J-PARC可以進(jìn)一步節(jié)省前級強(qiáng)流質(zhì)子加速器的費(fèi)用。

我國科學(xué)工作者與日本同行已經(jīng)就有關(guān)長基線中微子振蕩的實驗進(jìn)行了廣泛的交流，分別各自成立了研究組，完成了進(jìn)行超長基線中微子振蕩實驗的報告，由于地理位置的關(guān)系，從日本到中國北京或者北京附近的地方直線距離約為2-3千公里，這是一個既有較小物質(zhì)效應(yīng)，又能夠得到好的物理結(jié)果的距離，這時中微子工廠的傾角仍小于10^O，因而近點探測器的建設(shè)還不構(gòu)成太大的困難。

再長距離的中微子振蕩實驗也不是沒有可能，因為中微子工廠的尺寸畢竟較小，也可以設(shè)想m子貯存環(huán)與地面有一定大小的傾角，如果能夠通過其它方法不依靠近點探測器減小測量的系統(tǒng)誤差，再長基線的中微子振蕩實驗也許可行。這就增加了這樣的可能，即未來中微子工廠也許不是同時建立束流和探測器，而是修建束流瞄準(zhǔn)已有的探測器。這樣的例子已經(jīng)有了，如：

（1）修建CERN的中微子束流瞄準(zhǔn)Gran Sasso的探測器。

（2）由于已經(jīng)存在了SuperK探測器，因而K2K束線修建的方向就是已有的目標(biāo)（右圖）。

因此，在中國建立中微子探測器是爭取日本將中微子束流指向中國重要的基礎(chǔ)。

9、用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子測量重要參數(shù)θ₁₃

基于中微子工廠考慮的超長基線中微子振蕩實驗也許在時間上還太遠(yuǎn)，不確定性較大。目前國際上的新熱點是利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子進(jìn)行重要參數(shù)θ₁₃的測量。到目前為止，實驗上測量的中微子混合角中都是大混合角，只有θ₁₃的值很小，僅給出其上限。這些測量值與三代夸克間的混合角測量結(jié)果是不同的，它們之間為什么如此不同？有沒有聯(lián)系？輕子有沒有CP破壞？T破壞？或CPT破壞?盡管實驗上給出的θ₁₃上限值比較小，但θ₁₃大小與CP破壞成正比，實驗仍有必要對θ₁₃作更精確的測量，進(jìn)而測量CP破壞的大小，這對我們理解早期宇宙中中微子所起的作用至關(guān)重要，它關(guān)系到有可能解釋物質(zhì)與反物質(zhì)世界的不對稱之謎。不同于一般的加速器產(chǎn)生m中微子束流的情形，反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子的測量直接與q₁₃的值有關(guān)，不與其它的參數(shù)相互簡并，相關(guān)性也很小，因而可以直接對q₁₃進(jìn)行測量，利用θ₁₃的值可以結(jié)合加速器產(chǎn)生中微子束流的實驗來確定混合角θ₂₃的大小。更重要的是θ₁₃的測量將有效地決定下一步長基線中微子振蕩實驗發(fā)展的方向，為實驗的規(guī)劃提供依據(jù)。

目前，我們與美國、香港的同行正探討利用廣東大亞灣反應(yīng)堆進(jìn)行實驗，以及開展以三方為主的國際合作的可能性。在距大亞灣發(fā)電站約1公里的地方正在新建另一個發(fā)電站，預(yù)計它們的總功率將達(dá)到17.4 GW，這是世界上靠得很近的兩個反應(yīng)堆功率之和中第二大的反應(yīng)堆群（左圖為大亞灣核電站位置示意圖），比現(xiàn)有世界上大部分的地點具有明顯的優(yōu)越性。日本具有世界上功率最大的反應(yīng)堆群，也在考慮利用反應(yīng)堆進(jìn)行θ₁₃的測量。

實驗的要點是建立兩到三個幾十噸至一百噸的完全相同的探測器，放在離反應(yīng)堆幾百米至~2公里遠(yuǎn)的位置進(jìn)行測量，完全相同的探測器將有效地減小由于反應(yīng)堆元素成分不同、反應(yīng)截面的不確定性、反應(yīng)堆功率大小變化及反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子能量變化、探測器有效體積和探測效率等因素帶來的系統(tǒng)誤差，將系統(tǒng)誤差的大小控制在0.5%的范圍，將現(xiàn)有CHOOZ給出的θ₁₃測量精度提高一個數(shù)量級。當(dāng)然這個誤差的要求很小，是一個高精確度的實驗，具有很大的挑戰(zhàn)性。 

反應(yīng)堆實驗與加速器束流有固定指向的實驗相比較具有很大的優(yōu)越性，擺脫了對加速器束流的依賴將大大地節(jié)省實驗費(fèi)用。

 鑒于大亞灣具有的優(yōu)越條件，可以實現(xiàn)低本底測量，提供了一個近期開展非常有意義的中微子物理研究的機(jī)會，提供了大陸、美國、香港零距離合作的機(jī)會，提供了中國物理學(xué)家在前沿課題中作出貢獻(xiàn)的機(jī)會。同時，通過這樣的實驗建立一支從事非加速器物理研究，進(jìn)行多目標(biāo)地下實驗的隊伍具有更大的意義。

10、地下實驗室可以開展的其他重要研究

太陽中微子——太陽距地球約一億公里，時刻釋放出大量的中微子流，這對研究太陽內(nèi)部活動十分有用。因為在太陽的核心，光子產(chǎn)生之后會迅速被折射或吸收，在地球上無法接收到。由于中微子不帶電，具有超乎尋常的穿透力，極難與其它粒子發(fā)生反應(yīng)，可以在地球上接收這些中微子，研究它們的性質(zhì)，來推斷太陽內(nèi)部的活動情況。同時，太陽中微子測量的探測器還是一個極好的超新星探測器，對來自超新星爆發(fā)的中微子到達(dá)時間、能譜、時間譜、味道的測量都極其重要。太陽中微子的測量還對太陽物理檢驗提供重要依據(jù)，對了解太陽內(nèi)部核反應(yīng)鏈的周期活動有重要意義。

雙β衰變——自然界遵從CPT對稱性，對夸克和輕子，每個粒子有它的反粒子，它們電荷相反，但質(zhì)量和自旋卻相同。中微子沒有電荷，正反粒子的反演性質(zhì)并不清楚。雙β衰變可確定中微子的反演類型、是否有輕子數(shù)破壞、給出中微子質(zhì)量的標(biāo)度值。

大氣中微子實驗——原初宇宙線的質(zhì)子和核子在到達(dá)大氣頂端時，發(fā)生強(qiáng)相互作用產(chǎn)生次級宇宙線，次級宇宙線中的p（K）發(fā)生衰變,產(chǎn)生一個電子中微子和兩個μ子中微子，因此一個地下探測器可以同時測量來自地球不同角度的中微子，隨角度的不同，中微子穿過的距離可以從10公里至13000公里不等，而且從上到下和從下到上的中微子間可以做自洽檢驗。通過大氣中微子的測量可以測量中微子的振蕩模式、提高測量振蕩參數(shù)的精確性、測量n_t出現(xiàn)（Super K的結(jié)果支持n_m?n_t振蕩）；可以驗證地球的物質(zhì)效應(yīng)；可以測量幾個GeV的中微子與核作用的響應(yīng)函數(shù)和裂變產(chǎn)生，這對核結(jié)構(gòu)理論是有意義的，作用截面的測量對超新星和太陽中微子問題是有意義的。

 暗物質(zhì)研究——微波背景輻射和大尺度結(jié)構(gòu)的精確測量使我們不得不接受宇宙中充滿了暗能量和暗物質(zhì)的事實，地下實驗最有希望確定暗物質(zhì)的組成。物質(zhì)成分的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重子物質(zhì)強(qiáng)烈地說明存在有非重子的物質(zhì)成份，這些物質(zhì)產(chǎn)生于早期熱宇宙中，現(xiàn)在作為一個物質(zhì)背景而存在，對宇宙膨脹和大尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。除了中微子外，低本底的地下實驗，可尋找中性、弱作用、大質(zhì)量（WIMP）的粒子，比如DAMA實驗的驗證，云南站事例的檢驗，LVD事例的解釋，目前至少有20個暗物質(zhì)的實驗在進(jìn)行，幾乎所有的地下實驗室都有一個以上的實驗。探測器除傳統(tǒng)的鍺外，還有液氙、測量反沖負(fù)離子的TPC等。

超新星中微子探測——從太陽中微子和質(zhì)子衰變實驗中意外紀(jì)錄到1987A超新星的爆發(fā)是一項驚人的成就。Kamioka和IMB合作組同時測量到的中微子事例表明重質(zhì)量星發(fā)生坍縮，隨后質(zhì)子中子星冷卻。這些數(shù)據(jù)還對許多粒子和天體物理給出許多重要的約束。

超新星的理解對天體物理的很多方面都十分關(guān)鍵，在星系的長時間演化中，超新星爆發(fā)提供了重要的能量來源。超新星可以產(chǎn)生各種味道的中微子。由于高密度，因此在核內(nèi)部形成中微子陷阱，又由于溫度和作用的不同，不同味道的中微子具有不同的能量，因此對中微子的測量可以研究中微子的振蕩效應(yīng)，物質(zhì)效應(yīng)，超新星機(jī)制；當(dāng)質(zhì)子中子星冷卻時，有可能坍縮成為黑洞，對應(yīng)的中微子光變曲線發(fā)生截斷；同時對引力波，光學(xué)和中微子信號的測量可以對超新星的坍縮機(jī)制形成多方的約束。河內(nèi)的超新星爆發(fā)頻率為每30年一個。探測器需要能夠測量能譜、味道隨時間的變化，能夠測量帶電流和中性流作用，方向的測量也是重要的，它可以很快地為光學(xué)觀測提供幫助。

核天體物理研究——核天體物理研究和測量恒星系統(tǒng)演化不同階段的靜態(tài)核燃燒過程、時間跨度和爆炸的起始狀態(tài)，研究的另外一方面是新星的核合成，X射線爆和超新星。核天體物理模型精度的提高要求截面測量精度的提高。由于極低的事例率，在地面測量有很大的本底。因此在地下建立一個加速器實驗室進(jìn)行反應(yīng)截面的測量將具有極大的競爭能力。（右圖為意大利的Gran Sasso多學(xué)科地下實驗室）

質(zhì)子衰變——現(xiàn)有的實驗結(jié)果給出的質(zhì)子壽命為大于10³³年，但質(zhì)子的穩(wěn)定性從上世紀(jì)七十年代起一直受到質(zhì)疑，自那時起理論家就開始構(gòu)想將夸克和輕子統(tǒng)一起來的強(qiáng)、電和弱相互作用的大統(tǒng)一理論。超對稱的大統(tǒng)一理論在～10¹⁶GeV附近能夠?qū)⑷齻€相互作用匯聚起來。百萬噸的探測器同時可以進(jìn)行長基線中微子振蕩測量、測量CP破壞，可以進(jìn)行大氣、太陽和超新星中微子的實驗。

地球科學(xué)——地下巖洞的長期穩(wěn)定性，時間與周圍環(huán)境的影響以及與理論模型的比較。這些研究對于長壽命核廢料的儲存和今后洞穴的設(shè)計都有意義。

微生物學(xué)——研究生物群在非原生和苛刻環(huán)境下的生存能力和活動能力；研究本地微生物群和周圍環(huán)境對它們的影響；研究深層地下有液體的斷層和巖石斷層間生物群的差別，以此考察生物群在極端環(huán)境下的生存。

精密核分析——低本底材料的開發(fā)和應(yīng)用,用于下一代的雙β衰變，暗物質(zhì)尋找和太陽中微子實驗。也有可能生產(chǎn)高純度的材料應(yīng)用于商業(yè)。

11、中國需要盡快部署國家地下實驗室的建設(shè)

基于中微子工廠的長基線中微子振蕩實驗預(yù)計要到2015年左右或之后進(jìn)行，原因在于中微子振蕩實驗才剛剛開始，對中微子物理的參數(shù)的測量剛起步，因中微子作用的截面小，事例的統(tǒng)計性不容易增大，參數(shù)的測量還不夠精確，對中微子的性質(zhì)還遠(yuǎn)稱不上了解，在現(xiàn)階段，特別是θ₁₃的大小不清楚，目前開始進(jìn)行長基線中微子振蕩的設(shè)計還為時尚早。正因如此，才有我們進(jìn)行中微子振蕩實驗的機(jī)遇，在國外一個這樣大的探測器預(yù)制研究加制作的時間也要三至五年，我們早一點開始儲備人才、儲備技術(shù)是十分必要的。

為了更快地趕上中微子物理研究的前沿，在中微子工廠建設(shè)之前在國內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)堆電子中微子的測量從時間上說是可行的，約3-5年左右的建設(shè)時間就可以進(jìn)行物理測量。在這個時間段中，不用考慮國際上的加速器中微子實驗會對θ₁₃的測量形成競爭，因為θ₁₃的測量需要進(jìn)一步提高加速器的流強(qiáng)，真正實現(xiàn)這樣的條件還有較多的困難。

大部分地下實驗的研究項目都不需要加速器，可以省去建造大型加速器所需的巨額經(jīng)費(fèi)，符合中國的國情。中國的國家地下實驗室，首先應(yīng)考慮選擇合適的地點，可以從中微子振蕩實驗和其它宇宙線地下實驗起步，以長遠(yuǎn)、可更新、多學(xué)科綜合為目標(biāo)，著眼于有重大物理意義的課題，分階段進(jìn)行建設(shè)。抓住粒子天體物理剛開始發(fā)展，國際上還沒有取得有突破性進(jìn)展的時機(jī)，爭取做出有實質(zhì)意義的貢獻(xiàn)。

結(jié)論是：從戰(zhàn)略需求分析，中國應(yīng)盡快部署國家地下實驗室的建設(shè)！

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